第一章 控制系统的基本概念.ppt
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第01章 自动控制系统基本概念
11
闭环与开环
闭环——系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比较 的系统称为闭环系统，此时系统根据设定值与测 量值的偏差进行控制，直至消除偏差。
+ SP － 测量变送装置 调节器 执行器 被控对象
开环——系统的输出没有被反馈回输入端，执行器仅只根 据输入信号进行控制的系统称为开环系统，此时 系统的输出与设定值与测量值之间的偏差无关。 要实现自动控制，系统必须闭环。
解：1、最大偏差：A＝230—200＝30℃ 2、余差C＝205—200＝5℃ 3、第一个波峰值B＝230—205＝25℃ 第二个波峰值B’＝210—205＝5℃ 衰减比n＝25：5＝5：l。 4、振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期T＝20—5＝15(min) 5、过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的±2％， 就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为200×(±2％)＝±4℃，这时，可在 新稳态值(205℃)两侧以宽度为±4℃画一区域，图中以画有阴影线的区域表示，只 要被控变量进入这一区域且不再越出，过渡过程就可以认为已经结束。因此，从图 上可以看出，过渡时间为22min。 6、超调量 (230-205)/205×100%=12.2%
几种典型的过渡过程：
16
几种典型的过渡过程：
非周期衰减过程 衰减振荡过程 √ √
等幅振荡过程 发散振荡过程
？ X
一般是不允许的 除开关量控制回路
单调发散过程
X 17
（3）过渡过程的品质指标
通常要评价和讨论一个控制系统性能优劣，其标准有二大类：
· 以系统受到阶跃输入作用后的响应曲线的形式给出。主要包括： 最大偏差（超调量）、 衰减比 余差 过渡时间 振荡周期（振荡频率）……
闭环与开环
闭环——系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比较 的系统称为闭环系统，此时系统根据设定值与测 量值的偏差进行控制，直至消除偏差。
+ SP － 测量变送装置 调节器 执行器 被控对象
开环——系统的输出没有被反馈回输入端，执行器仅只根 据输入信号进行控制的系统称为开环系统，此时 系统的输出与设定值与测量值之间的偏差无关。 要实现自动控制，系统必须闭环。
解：1、最大偏差：A＝230—200＝30℃ 2、余差C＝205—200＝5℃ 3、第一个波峰值B＝230—205＝25℃ 第二个波峰值B’＝210—205＝5℃ 衰减比n＝25：5＝5：l。 4、振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期T＝20—5＝15(min) 5、过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额定值的±2％， 就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为200×(±2％)＝±4℃，这时，可在 新稳态值(205℃)两侧以宽度为±4℃画一区域，图中以画有阴影线的区域表示，只 要被控变量进入这一区域且不再越出，过渡过程就可以认为已经结束。因此，从图 上可以看出，过渡时间为22min。 6、超调量 (230-205)/205×100%=12.2%
几种典型的过渡过程：
16
几种典型的过渡过程：
非周期衰减过程 衰减振荡过程 √ √
等幅振荡过程 发散振荡过程
？ X
一般是不允许的 除开关量控制回路
单调发散过程
X 17
（3）过渡过程的品质指标
通常要评价和讨论一个控制系统性能优劣，其标准有二大类：
· 以系统受到阶跃输入作用后的响应曲线的形式给出。主要包括： 最大偏差（超调量）、 衰减比 余差 过渡时间 振荡周期（振荡频率）……
《现代控制理论基础》课件
预测控制
预测控制是一种基于模型预测 未来系统行为的控制方法。
控制器
控制器是控制系统中的核心 组件，负责计算并施加控制 信号。
操作对象
控制系统的操作对象可以是 各种各样的设备或系统，了 解操作对象的特性是设计有 效控制策略的基础。
模型化
系统状态方程
通过建立系统状态方程，我们 可以描述控制系统的动态行为。
传递函数
传递函数是描述输入和输出之 间关系的数学表达式，常用于 分析系统的频率响应。
通过绘制根轨迹来分析系统的稳定性和性能。
2 Nyquist法
利用Nyquist图来评估系统的稳定性和抗干扰能力。
鲁棒性设计
扰动抑制
了解如何设计鲁棒控制器来抑制 系统中的扰动。
鲁棒控制
鲁棒控制是一种能够保持系统稳 定性和性能的控制策略。
H∞控制
H∞控制是一种能够优化系统鲁 棒性和性能的控制策略。
非线性控制
《现代控制理论基础》PPT课件
现代控制理论基础是一门关于控制系统的基本概念、模型化、控制器设计、 稳定性分析、鲁棒性设计、非线性控制和优化控制的课程。通过本课程的学 习，您将掌握现代控制理论的基础知识和思想，并能够运用所学知识解决实 际控制问题。
控制系统基本概念
控制过程
了解控制过程是理解控制系 统工作原理的重要一步。
1 反馈线性化
通过反馈线性化技术，我们可以设计控制器来稳定非线性系统。
2 滑模控制
滑模控制是一种鲁棒而有效的非线性控制方法。
3 非线性规划
非线性规划方法可以用来优化非线性系统的控制策略。
优化控制
最优化法
最优化法是一种通过优化目标 函数来设计最优控制策略的方 法。
非线性规划
1—控制系统的基本概念1
分类法小结（补充28、29）
• 开环与闭环(Open-loop / Closed-loop)系统 • 线性与非线性 (Linear/Nonlinear)系统 • 集中参数与分布参数 (Lumped / Distributed Parameter)系统 • 时变与时不变 (Time-variant / Time-invariant or Stationary / Non-stationary)系统 • 确定性与随机(Deterministic / Random)系统 • 单变量与多变量 (Single variable / Multivariable or SISO / MIMO)系统 • 连续与离散(Continuous / Discrete)系统
§1-4 控制工程发展概况
控制工程是一门新型的技术科学，也是一 门边缘科学。它的理论基础是工程控制论。 早在一千多年以前，我国就先后发明了铜 壶滴漏计时器、指南针以及天文仪器等多种自 动控制装置，这些发明促进了当时社 会经济的发展。即使从1788年瓦特（J.Watt） 发明蒸汽机飞球调速器算起，控制工程也已有 了二百多年的历史。然而，控制工程作为一门 学科，它的形成并迅速发展却是最近五六十年 的事。
1.1.3 闭环控制系统的组成
§1-2 控制系统的基本类型
一、按输入量的特征分类 1.恒值控制系统 生产中温度、压力、流量、液面控制； 原动机速度控制、机床位置控制； 电力系统电网电压、频率控制 2. 程序控制系统
液位控制系统
§1-2 控制系统的基本类型
2. 程序控制系统（数字控制、计算机控制） 变化规律预知
不连续系统 (Discontinuous Variable System)
离散系统(Discrete Variable System)
第一章控制系统的基本概念
图1.5 闭环控制系统的组成
1．给定元件 主要用于产生给定信号或输入信号。例如，图1.2中电位计 里的可变电阻。 2．反馈元件 它测量被控制量或输出量，产生主反馈信号。一般，为了便 于传输，主反馈信号多为电信号。因此，反馈元件通常是一些用 电量来测量非电量的元件。 必须指出，在机械、液压、气动、机电、电机等系统中存在 着内在反馈。这是一种没有专设反馈元件的信息反馈，是系统内 部各参数相互作用而产生的反馈信息流，如作用力与反作用力之 间形成的直接反馈。内在反馈回路由系统动力学特性确定，它所 构成的闭环系统是一个动力学系统。 3．比较元件 用来接收输入信号和反馈信号并进行比较，产生反映两者差 值的偏差信号。例如，图1.2中的电位计。
准确地复现控制信号
的变化规律（此即伺
服的含义）。控制指
令可以由操作者根据
需要随时发出，也可
以由目标物或相应的 测量装置发出。
图1.7 液压仿形车床工作原理图
图1.7所示为液压仿形车床工作原理图。当阀心8处于图示中 间位置时，没有压力油进入液压缸前后两腔，液压缸不动。当阀 心偏离中位，例如向前伸出时，节流口2、4保持关闭，节流口1、 3打开，压力油经节流口3进入液压缸前腔，而其后腔的油液经 节流口1流回油箱，缸体带动刀具向前运动；同样，当阀心偏离 中位向后收缩时，节流口1、3关闭，2、4打开，压力油经节流 口2进入液压缸后腔，而缸前腔的油液则经节流口4流回油箱， 缸体带动刀具向后运动。图中，液压缸缸体和控制阀阀体连成一 体，形成液压缸运动的负反馈，使液压缸缸体与阀心的运动距离 和方向始终保持一致，所以液压缸缸体（刀具）完全跟随阀心 （触销8）运动。因此，这是一个随动（伺服）系统。
若参数配置不当，很容易引起振荡， 由11台小型电动机驱动
1．给定元件 主要用于产生给定信号或输入信号。例如，图1.2中电位计 里的可变电阻。 2．反馈元件 它测量被控制量或输出量，产生主反馈信号。一般，为了便 于传输，主反馈信号多为电信号。因此，反馈元件通常是一些用 电量来测量非电量的元件。 必须指出，在机械、液压、气动、机电、电机等系统中存在 着内在反馈。这是一种没有专设反馈元件的信息反馈，是系统内 部各参数相互作用而产生的反馈信息流，如作用力与反作用力之 间形成的直接反馈。内在反馈回路由系统动力学特性确定，它所 构成的闭环系统是一个动力学系统。 3．比较元件 用来接收输入信号和反馈信号并进行比较，产生反映两者差 值的偏差信号。例如，图1.2中的电位计。
准确地复现控制信号
的变化规律（此即伺
服的含义）。控制指
令可以由操作者根据
需要随时发出，也可
以由目标物或相应的 测量装置发出。
图1.7 液压仿形车床工作原理图
图1.7所示为液压仿形车床工作原理图。当阀心8处于图示中 间位置时，没有压力油进入液压缸前后两腔，液压缸不动。当阀 心偏离中位，例如向前伸出时，节流口2、4保持关闭，节流口1、 3打开，压力油经节流口3进入液压缸前腔，而其后腔的油液经 节流口1流回油箱，缸体带动刀具向前运动；同样，当阀心偏离 中位向后收缩时，节流口1、3关闭，2、4打开，压力油经节流 口2进入液压缸后腔，而缸前腔的油液则经节流口4流回油箱， 缸体带动刀具向后运动。图中，液压缸缸体和控制阀阀体连成一 体，形成液压缸运动的负反馈，使液压缸缸体与阀心的运动距离 和方向始终保持一致，所以液压缸缸体（刀具）完全跟随阀心 （触销8）运动。因此，这是一个随动（伺服）系统。
若参数配置不当，很容易引起振荡， 由11台小型电动机驱动
自动控制原理最全PPT
2021年6月10日
第一章 自动控制系统的基本概念
第一章 自动控制系统的基本概念
学习重点
❖ 了解自动控制系统的基本结构和特点及 其工作原理；
❖ 了解闭环控制系统的组成和基本环节；
❖ 掌握反馈控制系统的基本要求及反馈控 制系统的作用；
❖ 学会分析自动控制系统的类型及本质特 征。
2021年6月10日
第一章 自动控制系统的基本概念
主要解决问题：单输入单输出（SISO）系统的控制问题。
主要方法：
以传函为数学模型，以拉氏变换数学工具， 时域分析法、根轨迹法、频率法。
主要研究对象：SISO，线性定常（LTI），非线性系统，离散
系统。
Linear Time
主要代表人物：伯德，奈奎斯特，伊文思。 Invariable
2021年6月10日
电机与拖动
线性代数
大学物理
自动控制原理
微积分
2021年6月10日
各类 专业课
线性系统
现代控 制理论
第一章 自动控制系统的基本概念
自动控制原理
基于数学模型
自动控制理论的发展历程
控制理论是研究有关自动控制共同规律的一门科学。 第一阶段：古典控制理论（20世纪40～60年代）
Classical Control Theory 第二阶段：现代控制理论（20世纪60～70年代）
第1章 自动控制系统的基本概念(4) 第2章 拉普拉斯变换及其应用（4） 第3章 自动控制系统的数学模型(10) 第4章 自动控制系统的时域分析(14) 第5章 自动控制系统的频域分析（14） 第6章 控制系统的校正及综合(10)
2021年6月10日
第一章 自动控制系统的基本概念
1 控制系统的基本概念解析
系统稳定性的数学含义是指系统去掉扰动时的动态过程，即当方程
xo (t ) 是否收敛。 右边 为零时（即齐次方程），
d n xo (t ) d ( n1) xo (t ) dxo (t ) an a a a0 xo (t ) 0 n 1 1 n n 1 dt dt dt
HG/T 20505-2000 《过程测量与控制仪表的功 能标志及图形符号》适用于化工自控专业的初步 设计/基础设计、工程设计/施工图设计中仪表位号 编制，监控系统原理图等设计工作。
（一）仪表位号
工艺管道及仪表流程图中每个系统、每台仪表都
有一个唯一的标识，这个标识叫作位号。
仪表位号由仪表功能标志与仪表回路编号两部
操作人员的繁重或重复性体力劳动的装置。
2018/10/5 19
4、自动控制系统
作用：利用一些自动控制仪表及装置，对生
产过程中某些重要的工艺变量进行自动调节，
使它们在受到外界干扰影响偏离正常状态后，
能够自动地重新回复到规定的范围之内，从
而保证生产的正常进行。
2018/10/5 20
二、过程装备控制的任务和要求
i 1
i t
e it ( Ai cosi t Bi sin i t )
i 1
x o (t ) 0 ， 只有当实数根λ i，复数根的实部 σi 为负值时，有 lim t
系统稳定。否则系统是不稳定的。
控制系统稳定的充要条件
线性系统稳定的充要条件是：闭环系统特征方程的所有根均 具有负实部；或者说，闭环传递函数的极点均位于s平面的左
PID
2018/10/5 42
§1-4 控制系统的分类
按给定值的 不同特点
定值控制系统 随动控制系统 程序控制系统 闭环控制系统 开环控制系统
xo (t ) 是否收敛。 右边 为零时（即齐次方程），
d n xo (t ) d ( n1) xo (t ) dxo (t ) an a a a0 xo (t ) 0 n 1 1 n n 1 dt dt dt
HG/T 20505-2000 《过程测量与控制仪表的功 能标志及图形符号》适用于化工自控专业的初步 设计/基础设计、工程设计/施工图设计中仪表位号 编制，监控系统原理图等设计工作。
（一）仪表位号
工艺管道及仪表流程图中每个系统、每台仪表都
有一个唯一的标识，这个标识叫作位号。
仪表位号由仪表功能标志与仪表回路编号两部
操作人员的繁重或重复性体力劳动的装置。
2018/10/5 19
4、自动控制系统
作用：利用一些自动控制仪表及装置，对生
产过程中某些重要的工艺变量进行自动调节，
使它们在受到外界干扰影响偏离正常状态后，
能够自动地重新回复到规定的范围之内，从
而保证生产的正常进行。
2018/10/5 20
二、过程装备控制的任务和要求
i 1
i t
e it ( Ai cosi t Bi sin i t )
i 1
x o (t ) 0 ， 只有当实数根λ i，复数根的实部 σi 为负值时，有 lim t
系统稳定。否则系统是不稳定的。
控制系统稳定的充要条件
线性系统稳定的充要条件是：闭环系统特征方程的所有根均 具有负实部；或者说，闭环传递函数的极点均位于s平面的左
PID
2018/10/5 42
§1-4 控制系统的分类
按给定值的 不同特点
定值控制系统 随动控制系统 程序控制系统 闭环控制系统 开环控制系统
自动控制系统概述ppt课件
号
号
1 就地安 装仪表
2 集中仪 表盘面 安装仪 表
3 就地仪 表盘面 安装仪 表
4
嵌在管道 中
集中仪表 盘后安装 仪表
5 就地仪表 盘后安装 仪表
第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式
对于处理两个或两个以上被测变量，具有相同或不同 功能的复式仪表时，可用两个相切的圆或分别用细实线圆 与细虚线圆相切表示（测量点在图纸上距离较远或不在同 一图纸上），如下图所示。
对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系统都是稳定系统 ）要分析其稳定性、准确性和快速性，常以阶跃作用为输入时 的被控变量的过渡过程为例，因为阶跃作用很典型，实际上也 经常遇到，且这类输入变化对系统来讲是比较严重的情况。
第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标
信号常见形式 斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号、阶跃信号等。
执行器
液位自动控制系统方框图
每个方框表示组成系统的一个环节，两个方框之间用带箭 头的线段表示信号联系；进入方框的信号为环节输入，离 开方框的为环节输出。
第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式
注意！
方框图中的每一个方框都代表一个具体的装置。 方框与方框之间的连接线，只是代表方框之间的信号联 系，与工艺流程图上的物料线有区别。 “环节”的输入会引起输出的变化，而输出不会反过来直 接引起输入的变化。环节的这一特性称为“单向性” 。 自动控制系统是一个闭环系统
第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式
用同一种形式的方框图可以代表不同的控制系统
蒸汽加热器温度控制系统
给定值x
偏差e
控制器输出p
控制器
干扰作用f
操纵变量q 执行器
对 象 被控变量y
1 控制系统的基本概念
??过程装备及控制系贺鸿太原理工大学化学化工学院字母第一位字母后继字母被测变量修饰词功能acdefiklmpqrstvwyz分析电导率密度电压流量电流时间或时间程序物位水分或湿度压力或真空数量或件数放射性速度或频率温度黏度力力供选用位置差差比分数积分累积安全报警控制调节检测元件指示自动手动操作器积分累积记录或打印开关联锁传送阀挡板百叶窗套管继动器或计算器驱动执行或未分类的终端执行机构表被测变量和仪表功能的字母代号??过程装备及控制系贺鸿太原理工大学化学化工学院16工艺管道及控制流程图举例以脱乙烷塔控制流程图来说明如何以字母代号的组合来表示被测变量和仪表功能
‹#›
太原理工大学化学化工学院
—过程装备及控制系—贺鸿
1.3 自动控制系统的方块图
用同一种形式地方块图可以代表不同的控制系统
当进料流量或温度变化等 因素引起出口物料温度变化 时，可以将该温度变化测量 后送至温度控制器TC。温度 控制器的输出送至控制阀， 以改变加热蒸汽量来维持出 口物料的温度不变。
太原理工大学化学化工学院
—过程装备及控制系—贺鸿
过程装备控制技术及应用
1 控制系统基本概念
‹#›
太原理工大学化学化工学院
—过程装备及控制系—贺鸿
本章主要内容：
控制系统概述
自动控制系统的基本组成
自动控制系统方块图
自动控制系统的分类
自动控制系统的过渡过程及性能指标 工艺管道及控制流程图
‹#›
太原理工大学化学化工学院
—过程装备及控制系—贺鸿
1.3 自动控制系统的方块图 人工操作与自动控制比较图
图1-2 人工操作图
图1-3 液位自动控制系统图
控制速度和精度不能满足大型 现代化生产的需要
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太原理工大学化学化工学院
—过程装备及控制系—贺鸿
1.3 自动控制系统的方块图
用同一种形式地方块图可以代表不同的控制系统
当进料流量或温度变化等 因素引起出口物料温度变化 时，可以将该温度变化测量 后送至温度控制器TC。温度 控制器的输出送至控制阀， 以改变加热蒸汽量来维持出 口物料的温度不变。
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过程装备控制技术及应用
1 控制系统基本概念
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本章主要内容：
控制系统概述
自动控制系统的基本组成
自动控制系统方块图
自动控制系统的分类
自动控制系统的过渡过程及性能指标 工艺管道及控制流程图
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1.3 自动控制系统的方块图 人工操作与自动控制比较图
图1-2 人工操作图
图1-3 液位自动控制系统图
控制速度和精度不能满足大型 现代化生产的需要
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递函数来研究系统的动态特性。
多自由度控制器、机器人等都是随动系统
1.3 对控制系统的基本要求
1.稳定性 由于控制系统都包含储能元件，若系统参数匹配不当，便可 能引起振荡。稳定性就是指系统动态过程的振荡倾向及其恢复平 衡状态的能力。对于稳定的系统，当输出量偏离平衡状态时，应 能随着时间收敛并且最后回到初始的平衡状态。稳定性乃是保证 控制系统正常工作的先决条件。 2.精确性 控制系统的精确性即控制精度，一般以稳态误差来衡量。所 谓稳态误差是指以一定变化规律的输入信号作用于系统后，当调 整过程结束而趋于稳定时，输出量的实际值与期望值之间的误差 值，它反映了动态过程后期的性能。这种误差一般是很小的。如 数控机床的加工误差小于0.02mm，一般恒速、恒温控制系统的 稳态误差都在给定值的1%以内。 3.快速性
控制系统的控制过程可以用系统的职能框图清晰而形象地表
示。图1.3所示为恒 温箱温度自动控制系统的职能框图。 代表 比较元件，箭头代表作用方向，每个职能框代表一个环节，各环 节的作用是单向的，其输出受输入控制。从图中可以清楚地看到
图1.3 恒温箱温度自动控制系统职能框图
1.1.2 开环控制和闭环控制 1.开环控制系统
若参数配置不当，很容易引起振荡，
使系统不稳定，而无法工作。
由11台小型电动机驱动 战神汽车“Sojourner”
3.半闭环控制系统
如果控制系统的反馈信号不是直接从系统的输出端引出，而
是间接地取自中间的测量元件，例如在数控机床的进给伺服系统
中，若将位置检测装置安装在传动丝杆的端部，间接测量工作台
的实际位移，则这
比较。比较产生的结果称为偏差。在人工控制中，这一偏差是通 过人眼观测后，由人脑判断、决策得出的；而在自动控制中，偏 差则是通过反馈，由控制器进行比较、计算产生的。
自动控制则将检测偏差、再纠正偏差过程自动化。 控制系统的工作原理如下： (1) 检测输出量的实际值。 (2) 将实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差值。 (3) 用偏差值产生控制调节作用去消除偏差。 这种基于反馈原理、通过“检测偏差再纠正偏差”的系统称 为 反馈控制系统。可见，作为反馈控制系统至少应具备测量、比较 （或计算）和执行三个基本功能。
图1.5 闭环控制系统的组成
1．给定元件 主要用于产生给定信号或输入信号。例如，图1.2中电位计 里的可变电阻。 2．反馈元件 它量测被控制量或输出量，产生主反馈信号。一般，为了便 于传输，主反馈信号多为电信号。因此，反馈元件通常是一些用 电量来测量非电量的元件。 必须指出，在机械、液压、气动、机电、电机等系统中存在 着内在反馈。这是一种没有专设反馈元件的信息反馈，是系统内 部各参数相互作用而产生的反馈信息流，如作用力与反作用力之 间形成的直接反馈。内在反馈回路由系统动力学特性确定，它所 构成的闭环系统是一个动力学系统。 3．比较元件 用来接收输入信号和反馈信号并进行比较，产生反映两者差 值的偏差信号。例如，图1.2中的电位计。
快速性是指当系统的输出量与输入量之间产生偏差时，消除 这种偏差的快慢程度。快速性好的系统，它消除偏差的过渡过程 时间就短，就能复现快速变化的输入信号，因而具有较好的动态 性能。
由于控制对象的具体情况不同，各种系统对稳定、精确、快 速这三方面的要求是各有侧重的。例如，调速系统对稳定性要求 较严格，而随动系统则对快速性提出较高的要求。
第1章 控制系统的基本概念
1.掌握控制系统的工作原理、组成及其分类
学习目的 2.理解对控制系统的基本要求
3.了解控制工程的发展概况
内容提要
本章主要阐述控制系统的工作原理、组成及 其分类和对控制系统的基本要求
重 点 控制系统的工作原理
难 点 确定系统的输入量和输出量；寻找反馈通道
1.1 控制系统的工作原理及其组成
1.1.1 工作原理
实现恒温控制有人工控制和自动控制两种办法。图1.1为人 工控制的恒温箱简图。人工控制的任务是克服外界干扰（如电源
电压波动、环境温度变化等等），保持箱内温度恒定，以满足物 体对温度的要求。操作者可以通过调压器改变通过加热电阻丝的 电流，以达到控制温度的目的。箱内温度是由温度计测量的。人 工调节过程可归结如下：
如果系统只是根据输入量和干扰量进行控制，而输出端和输 入端之间不存在反馈回路，输出量在整个控制过程中对系统的控 制不产生任何影响，这样的系统称为开环控制系统。图1.4所示 的数控机床进给系统，由于没有反馈通道，所以是一个开环控制 系统。系统的输出量仅受输入量的控制。
图1.4 数控机床的开怀控制系统
人工控制过程实际上测量、求偏差，再控制以纠正偏差的过程。
图1.2 恒温箱的自动控制系统 图1.2就是一个自动控制系统。其中，恒温箱的所需温度由 电压信号u1给定。当外界因素引起箱内温度变化时，作为测量
元件的热电偶，把温度转换成对应的电压信号u2，并反馈回去 与给定信号u1相比较，所得结果即为温度的偏差信号 Δu =u1- u2。经过电压、功率放大后，用以改变执行电动机的 转速和方向，并通过传动装置拖动调压器动触头。当温度偏高 时，动触头向着减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度 达到给定值为止。即只有在偏差信号Δu = 0 时，电动机才停转。 这样就完成了所要求的控制任务。而所有这些装置便组成了一个 自动控制系统。
1.2 控制系统的基本类型
1.2.1 按输入量的特征分类
1．恒值控制系统
这种控制系统的输入量是一个恒定值，一经给定，在运行过 程中就不再改变（但可定期校准或更改输入量）。恒值控制系统 的任务是保证在任何扰动下系统的输出量为恒值。
工业生产中的温度、压力、流量、液面等参数的控制，有些 原动机的速度控制，机床的位置控制，电力系统的电网电压、频 率控制等，均属此类。
(1) 观测由测量元件（温度 计）测出的恒温箱内的温度 （被控制量）。
(2) 与要求的温度值（给定 值）进行比较，得出偏差的大 小和方向。
(3) 根据偏差的大小和方向 再进行控制。当恒温箱内温度高 于所要求的给定温度值时，就移 图1.1 人工控制的恒温箱 动调压器使电流减小，温度降低。若温度低于给定的值，则移动 调压器，使电流增加，温度升到正常范围。
开环系统的控制精度较低。
外界的干扰
也比较小，
则这种控制
系统也可以
保证一定的 精度。开环
滑动台面系统
控制系统的 最大优点是系统简单，一般都能稳定可靠地工作，
因此对于要求不高的系统可以采用。
2.闭环控制系统
如果系统的输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控
1.4 控制工程发展概况
控制工程是一门新型的技术科学，也是一门边缘科学。它的 理论基础是工程控制论。
早在一千多年以前，我国就先后发明了铜壶滴漏计时器、指 南针以及天文仪器等多种自动控制装置，这些发明促进了当时社 会经济的发展。即使从1788年瓦特（J.Watt）发明蒸汽机飞球 调速器算起，控制工程也已有了二百多年的历史。然而，控制工 程作为一门学科，它的形成并迅速发展却是最近五六十年的事。
铜壶滴漏计时器
用于测定天体的赤道坐标、 黄道经度和地平坐标的浑仪
二次世界大战前，控制系统的设计因缺乏系统的理论指导而 多采用试凑法。二次大战期间，由于建造飞机自动驾驶仪、雷达 跟踪系统、火炮瞄准系统等军事装备的需要，推动了控制理论的 飞跃发展。1948年威纳（N.Wiener）发表了著名的《控制 论》，从而基本上形成了经典控制理论，使控制工程有了扎实的 理论支撑。经典控制理论以传递函数为基础，主要研究单输入单输出系统的分析和控制问题。
制过程产生直接影响，这种系统称为闭环控制系统。反馈控制系
统必是闭环控制系统。
闭环控制系统的突出优点是控制
精度高，不管遇到什么干扰，只要被
控制量的实际值偏离给定值，闭环控
制就会产生控制作用来减小这一偏差。
闭环控制系统也有它的缺点，这
类系统是靠偏差进行控制的，因此，
在整个控制过程中始终存在着偏差，
由于元件的惯性（如负载的惯性），
统推向更普遍的应用领域 。 图1.6表示一个用于机床切削加工的程序控制系统。
a) 图1.6 程序控制系统 b)
3．随动系统
随动系统在工业部门又称伺服系统。这种系统的输入量的变
化规律是不能预先确
定的。当输入量发生
变化时，则要求输出
量迅速而平稳地跟随
着变化，且能排除各
种干扰因素的影响，
准确地复现控制信号
的变化规律（此即伺
服的含义）。控制指
令可以由操作者根据
需要随时发出，也可
以由目标物或相应的 测量装置发出。
图1.7 液压仿形车床工作原理图
图1.7所示为液压仿形车床工作原理图。当阀心8处于图示中 间位置时，没有压力油进入液压缸前后两腔，液压缸不动。当阀 心偏离中位，例如向前伸出时，节流口2、4保持关闭，节流口1、 3打开，压力油经节流口3进入液压缸前腔，而其后腔的油液经 节流口1流回油箱，缸体带动刀具向前运动；同样，当阀心偏离 中位向后收缩时，节流口1、3关闭，2、4打开，压力油经节流 口2进入液压缸后腔，而缸前腔的油液则经节流口4流回油箱， 缸体带动刀具向后运动。图中，液压缸缸体和控制阀阀体连成一 体，形成液压缸运动的负反馈，使液压缸缸体与阀心的运动距离 和方向始终保持一致，所以液压缸缸体（刀具）完全跟随阀心 （触销8）运动。因此，这是一个随动（伺服）系统。
种系统称为半闭环
控制系统。
半闭环控制系
统可以获得比开环
系统更高的控制精
度，但比闭环系统
要低；与闭环系统
相比，它易于实现 系统的稳定。目前
配有高灵敏像机、用于检查半导 体芯片镀膜层的三轴控制系统
大多数数控机床都采用这种半闭环控制进给伺服系统。
1.1.3 闭环控制系统的组成
图1.5所示为一个较完整的闭环控制系统。由图可见，闭环 控制系统一般应该包括给定元件、反馈元件、比较元件、放大元 件、执行元件及校正元件等。
多自由度控制器、机器人等都是随动系统
1.3 对控制系统的基本要求
1.稳定性 由于控制系统都包含储能元件，若系统参数匹配不当，便可 能引起振荡。稳定性就是指系统动态过程的振荡倾向及其恢复平 衡状态的能力。对于稳定的系统，当输出量偏离平衡状态时，应 能随着时间收敛并且最后回到初始的平衡状态。稳定性乃是保证 控制系统正常工作的先决条件。 2.精确性 控制系统的精确性即控制精度，一般以稳态误差来衡量。所 谓稳态误差是指以一定变化规律的输入信号作用于系统后，当调 整过程结束而趋于稳定时，输出量的实际值与期望值之间的误差 值，它反映了动态过程后期的性能。这种误差一般是很小的。如 数控机床的加工误差小于0.02mm，一般恒速、恒温控制系统的 稳态误差都在给定值的1%以内。 3.快速性
控制系统的控制过程可以用系统的职能框图清晰而形象地表
示。图1.3所示为恒 温箱温度自动控制系统的职能框图。 代表 比较元件，箭头代表作用方向，每个职能框代表一个环节，各环 节的作用是单向的，其输出受输入控制。从图中可以清楚地看到
图1.3 恒温箱温度自动控制系统职能框图
1.1.2 开环控制和闭环控制 1.开环控制系统
若参数配置不当，很容易引起振荡，
使系统不稳定，而无法工作。
由11台小型电动机驱动 战神汽车“Sojourner”
3.半闭环控制系统
如果控制系统的反馈信号不是直接从系统的输出端引出，而
是间接地取自中间的测量元件，例如在数控机床的进给伺服系统
中，若将位置检测装置安装在传动丝杆的端部，间接测量工作台
的实际位移，则这
比较。比较产生的结果称为偏差。在人工控制中，这一偏差是通 过人眼观测后，由人脑判断、决策得出的；而在自动控制中，偏 差则是通过反馈，由控制器进行比较、计算产生的。
自动控制则将检测偏差、再纠正偏差过程自动化。 控制系统的工作原理如下： (1) 检测输出量的实际值。 (2) 将实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差值。 (3) 用偏差值产生控制调节作用去消除偏差。 这种基于反馈原理、通过“检测偏差再纠正偏差”的系统称 为 反馈控制系统。可见，作为反馈控制系统至少应具备测量、比较 （或计算）和执行三个基本功能。
图1.5 闭环控制系统的组成
1．给定元件 主要用于产生给定信号或输入信号。例如，图1.2中电位计 里的可变电阻。 2．反馈元件 它量测被控制量或输出量，产生主反馈信号。一般，为了便 于传输，主反馈信号多为电信号。因此，反馈元件通常是一些用 电量来测量非电量的元件。 必须指出，在机械、液压、气动、机电、电机等系统中存在 着内在反馈。这是一种没有专设反馈元件的信息反馈，是系统内 部各参数相互作用而产生的反馈信息流，如作用力与反作用力之 间形成的直接反馈。内在反馈回路由系统动力学特性确定，它所 构成的闭环系统是一个动力学系统。 3．比较元件 用来接收输入信号和反馈信号并进行比较，产生反映两者差 值的偏差信号。例如，图1.2中的电位计。
快速性是指当系统的输出量与输入量之间产生偏差时，消除 这种偏差的快慢程度。快速性好的系统，它消除偏差的过渡过程 时间就短，就能复现快速变化的输入信号，因而具有较好的动态 性能。
由于控制对象的具体情况不同，各种系统对稳定、精确、快 速这三方面的要求是各有侧重的。例如，调速系统对稳定性要求 较严格，而随动系统则对快速性提出较高的要求。
第1章 控制系统的基本概念
1.掌握控制系统的工作原理、组成及其分类
学习目的 2.理解对控制系统的基本要求
3.了解控制工程的发展概况
内容提要
本章主要阐述控制系统的工作原理、组成及 其分类和对控制系统的基本要求
重 点 控制系统的工作原理
难 点 确定系统的输入量和输出量；寻找反馈通道
1.1 控制系统的工作原理及其组成
1.1.1 工作原理
实现恒温控制有人工控制和自动控制两种办法。图1.1为人 工控制的恒温箱简图。人工控制的任务是克服外界干扰（如电源
电压波动、环境温度变化等等），保持箱内温度恒定，以满足物 体对温度的要求。操作者可以通过调压器改变通过加热电阻丝的 电流，以达到控制温度的目的。箱内温度是由温度计测量的。人 工调节过程可归结如下：
如果系统只是根据输入量和干扰量进行控制，而输出端和输 入端之间不存在反馈回路，输出量在整个控制过程中对系统的控 制不产生任何影响，这样的系统称为开环控制系统。图1.4所示 的数控机床进给系统，由于没有反馈通道，所以是一个开环控制 系统。系统的输出量仅受输入量的控制。
图1.4 数控机床的开怀控制系统
人工控制过程实际上测量、求偏差，再控制以纠正偏差的过程。
图1.2 恒温箱的自动控制系统 图1.2就是一个自动控制系统。其中，恒温箱的所需温度由 电压信号u1给定。当外界因素引起箱内温度变化时，作为测量
元件的热电偶，把温度转换成对应的电压信号u2，并反馈回去 与给定信号u1相比较，所得结果即为温度的偏差信号 Δu =u1- u2。经过电压、功率放大后，用以改变执行电动机的 转速和方向，并通过传动装置拖动调压器动触头。当温度偏高 时，动触头向着减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度 达到给定值为止。即只有在偏差信号Δu = 0 时，电动机才停转。 这样就完成了所要求的控制任务。而所有这些装置便组成了一个 自动控制系统。
1.2 控制系统的基本类型
1.2.1 按输入量的特征分类
1．恒值控制系统
这种控制系统的输入量是一个恒定值，一经给定，在运行过 程中就不再改变（但可定期校准或更改输入量）。恒值控制系统 的任务是保证在任何扰动下系统的输出量为恒值。
工业生产中的温度、压力、流量、液面等参数的控制，有些 原动机的速度控制，机床的位置控制，电力系统的电网电压、频 率控制等，均属此类。
(1) 观测由测量元件（温度 计）测出的恒温箱内的温度 （被控制量）。
(2) 与要求的温度值（给定 值）进行比较，得出偏差的大 小和方向。
(3) 根据偏差的大小和方向 再进行控制。当恒温箱内温度高 于所要求的给定温度值时，就移 图1.1 人工控制的恒温箱 动调压器使电流减小，温度降低。若温度低于给定的值，则移动 调压器，使电流增加，温度升到正常范围。
开环系统的控制精度较低。
外界的干扰
也比较小，
则这种控制
系统也可以
保证一定的 精度。开环
滑动台面系统
控制系统的 最大优点是系统简单，一般都能稳定可靠地工作，
因此对于要求不高的系统可以采用。
2.闭环控制系统
如果系统的输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控
1.4 控制工程发展概况
控制工程是一门新型的技术科学，也是一门边缘科学。它的 理论基础是工程控制论。
早在一千多年以前，我国就先后发明了铜壶滴漏计时器、指 南针以及天文仪器等多种自动控制装置，这些发明促进了当时社 会经济的发展。即使从1788年瓦特（J.Watt）发明蒸汽机飞球 调速器算起，控制工程也已有了二百多年的历史。然而，控制工 程作为一门学科，它的形成并迅速发展却是最近五六十年的事。
铜壶滴漏计时器
用于测定天体的赤道坐标、 黄道经度和地平坐标的浑仪
二次世界大战前，控制系统的设计因缺乏系统的理论指导而 多采用试凑法。二次大战期间，由于建造飞机自动驾驶仪、雷达 跟踪系统、火炮瞄准系统等军事装备的需要，推动了控制理论的 飞跃发展。1948年威纳（N.Wiener）发表了著名的《控制 论》，从而基本上形成了经典控制理论，使控制工程有了扎实的 理论支撑。经典控制理论以传递函数为基础，主要研究单输入单输出系统的分析和控制问题。
制过程产生直接影响，这种系统称为闭环控制系统。反馈控制系
统必是闭环控制系统。
闭环控制系统的突出优点是控制
精度高，不管遇到什么干扰，只要被
控制量的实际值偏离给定值，闭环控
制就会产生控制作用来减小这一偏差。
闭环控制系统也有它的缺点，这
类系统是靠偏差进行控制的，因此，
在整个控制过程中始终存在着偏差，
由于元件的惯性（如负载的惯性），
统推向更普遍的应用领域 。 图1.6表示一个用于机床切削加工的程序控制系统。
a) 图1.6 程序控制系统 b)
3．随动系统
随动系统在工业部门又称伺服系统。这种系统的输入量的变
化规律是不能预先确
定的。当输入量发生
变化时，则要求输出
量迅速而平稳地跟随
着变化，且能排除各
种干扰因素的影响，
准确地复现控制信号
的变化规律（此即伺
服的含义）。控制指
令可以由操作者根据
需要随时发出，也可
以由目标物或相应的 测量装置发出。
图1.7 液压仿形车床工作原理图
图1.7所示为液压仿形车床工作原理图。当阀心8处于图示中 间位置时，没有压力油进入液压缸前后两腔，液压缸不动。当阀 心偏离中位，例如向前伸出时，节流口2、4保持关闭，节流口1、 3打开，压力油经节流口3进入液压缸前腔，而其后腔的油液经 节流口1流回油箱，缸体带动刀具向前运动；同样，当阀心偏离 中位向后收缩时，节流口1、3关闭，2、4打开，压力油经节流 口2进入液压缸后腔，而缸前腔的油液则经节流口4流回油箱， 缸体带动刀具向后运动。图中，液压缸缸体和控制阀阀体连成一 体，形成液压缸运动的负反馈，使液压缸缸体与阀心的运动距离 和方向始终保持一致，所以液压缸缸体（刀具）完全跟随阀心 （触销8）运动。因此，这是一个随动（伺服）系统。
种系统称为半闭环
控制系统。
半闭环控制系
统可以获得比开环
系统更高的控制精
度，但比闭环系统
要低；与闭环系统
相比，它易于实现 系统的稳定。目前
配有高灵敏像机、用于检查半导 体芯片镀膜层的三轴控制系统
大多数数控机床都采用这种半闭环控制进给伺服系统。
1.1.3 闭环控制系统的组成
图1.5所示为一个较完整的闭环控制系统。由图可见，闭环 控制系统一般应该包括给定元件、反馈元件、比较元件、放大元 件、执行元件及校正元件等。